Ηλεκτρικές Μηχανές Ι

Transcript

1 Ηλεκτρικές Μηχανές Ι Ενότητα 3: Μηχανές Συνεχούς Ρεύματος Επ. Καθηγήτρια Τζόγια Χ. Καππάτου Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Περιεχόμενα Μηχανή Συνεχούς Ρεύματος (ΣΡ) Αντίδραση τυμπάνου Αναστροφή ρεύματος τυμπάνου Συνδεσμολογίες και μόνιμη λειτουργία μηχανών Σ.Ρ. Πέδηση κινητήρων Σ.Ρ. Εκκίνηση κινητήρων Σ.Ρ.

5 3.5 Αντίδραση τυμπάνου Επίδραση του πεδίου του τυμπάνου επί του πεδίου των πόλων Αντίδραση τυμπάνου λέγεται η επίδραση του ρεύματος του τυμπάνου επί του μαγνητικού πεδίου των κύριων πόλων. Το ρεύμα αυτό δημιουργεί ένα δεύτερο μαγνητικό πεδίο, το οποίο προστίθεται διανυσματικά στο ήδη υπάρχον από τη διέγερση. Για να διασαφηνίσουμε την μορφή του μαγνητικού πεδίου σε μια μηχανή συνεχούς ρεύματος παρατηρούμε τα σχήματα (3.44), (3.45) και (3.46). Στο σχήμα (3.44) σχεδιάστηκε το μαγνητικό πεδίο, όταν δεν υπάρχει διέγερση. Το σχήμα (3.46) παρουσιάζει το ολικό μαγνητικό πεδίο όταν υπάρχει διέγερση και ο δρομέας διαρρέεται από ρεύμα, δηλαδή η μηχανή βρίσκεται υπό φορτίο. 5

6 Σχήμα Πεδίο διεγέρσεως χωρίς φορτίο. 6

7 Σχήμα Πεδίο τυμπάνου χωρίς διέγερση. 7

8 Σχήμα 3.46: Ολικό μαγνητικό πεδίο μίας μηχανής χωρίς βοηθητικούς πόλους. 8

9 Από αυτά τα σχήματα διαπιστώνουμε τα εξής: Το πεδίο των πόλων προστίθεται στο πεδίο του τυμπάνου και το ολικό πεδίο παρουσιάζεται παραμορφωμένο όσον αφορά τη συμμετρία στην περιοχή μεταξύ των αξόνων Ν και S. Ειδικά εάν πρόκειται περί γεννήτριας G, το μαγνητικό πεδίο υφίσταται ενίσχυση (συμπύκνωση των δυναμικών γραμμών) στο πέλμα που ακολουθεί, ενώ μειώνεται το πέλμα που προπορεύεται. Εάν η μηχανή λειτουργεί ως κινητήρας Μ, τότε συμβαίνει το αντίθετο. Έτσι η ουδέτερη ζώνη μετατοπίζεται και μάλιστα για τη γεννήτρια κατά τη φορά περιστροφής, ενώ για τον κινητήρα κατά την αντίθετη φορά προς την περιστροφή. Αυτό σημαίνει ότι το σημείο, όπου το μαγνητικό πεδίο είναι μηδέν, μετατοπίζεται σε σχέση με το σημείο που έχουμε όταν ο δρομέας δεν διαρρέεται από ρεύμα.

10 Η μετατόπιση αυτή είναι ανάλογη του ρεύματος του δρομέα, όταν η διέγερση είναι σταθερή, δηλαδή εξαρτάται από το φορτίο. Λέγοντας φορτίο εννοούμε μηχανική φόρτιση του άξονα, η οποία συνοδεύεται από ηλεκτρική φόρτιση δηλαδή από ρεύμα στο τύμπανο. Παρατηρούμε λοιπόν ότι το πεδίο του τυμπάνου προκαλεί κάποια παραμόρφωση του αρχικού πεδίου των πόλων, το οποίο αποτελεί το κύριο μαγνητικό πεδίο για τη λειτουργία της μηχανής. Οι ψήκτρες πρέπει να βρίσκονται διαρκώς σε περιοχή στην οποία το μαγνητικό πεδίο είναι μηδέν. Έτσι για να αποφύγουμε τις συνέπειες τις οποίες έχει το πεδίο για τις ψήκτρες, πρέπει αυτές να μετακινηθούν στην περίπτωση της γεννήτριας κατά τη φορά περιστροφής ή κατά την αντίθετη φορά εάν πρόκειται για κινητήρα. Εάν θέλουμε να αποφύγουμε την μετακίνηση αυτή πρέπει να χρησιμοποιήσουμε βοηθητικούς πόλους, οι οποίοι αναιρούν την παραμόρφωση. 10

11 3.5.2 Καμπύλη ολικού μαγνητικού πεδίου Για να διαπιστώσουμε την παραμόρφωση του μαγνητικού πεδίου, η οποία προκαλείται από την αντίδραση του τυμπάνου, εξετάζουμε τις καμπύλες του σχήματος (3.47), οι οποίες παριστάνουν τα μαγνητικά μεγέθη στο διάκενο συναρτήσει του τόπου δηλαδή της απόστασης x. 11

12 Σχήμα 3.47 : Παραμόρφωση μαγνητικού πεδίου κατά τη φόρτιση Καμπύλη μαγνητικού πεδίου πόλων (1), καμπύλη διέγερσης του πεδίου του τυμπάνου (2), καμπύλη πεδίου του τυμπάνου (3), καμπύλη ολικού πεδίου άνευ κορεσμού (4) και με κορεσμό (5). 12

13 Ηκαμπύλη1 παριστάνει την μαγνητική επαγωγή Bπ των πόλων, όταν το ρεύμα του τυμπάνου είναι μηδέν. Τούτο είναι μια περιοδική συνάρτηση του τόπου x(x= απόσταση τυχόντος σημείου κειμένου στην περιφέρεια του στάτη από ένα καθορισμένο σημείο), η οποία προσεγγίζει την μορφή τραπεζίου. Η περιοδικότητα αυτή είναι αυτονόητη εάν προσέξουμε ότι οι μαγνητικοί πόλοι γίνονται εναλλάξ θετικοί και αρνητικοί. Ημορφήτου πεδίου B(x) επηρεάζεται από τη μορφή που έχει δώσει ο κατασκευαστής στο πέλμα του πόλου. Η απόσταση του πέλματος από τον δρομέα είναι σταθερή και έτσι όταν έχουμε μια εγκάρσια τομή η εσωτερική καμπύλη του πέλματος είναι τόξο ενός κύκλου. Κάτω από τους πόλους το πεδίο είναι σταθερό και στις άκρες του πέλματος μειώνεται μέχρι να μηδενιστεί στη θέση της ουδέτερης ζώνης. Όταν το τύλιγμα του τυμπάνου διαρρέεται από ρεύμα, τότε στο δρομέα δημιουργείται ένα ρευματικό στρώμα, το οποίο προκαλεί το μαγνητικό πεδίο του τυμπάνου. Για να βρούμε την κατανομή του πεδίου αυτού, χρησιμοποιούμε την καμπύλη διεγέρσεως, η οποία ορίζεται ως εξής: v(x) x 0 A(x)dx (3.24

14 Επειδή στην προκειμένη περίπτωση το ρευματικό στρώμα Α(x) είναι σταθερό, η v(x) είναι ανάλογη του x, δηλαδή, μπορούμε να γράψουμε: v(x) Ax (3.25 Όταν μεταβάλλεται το x αλλάζει απλώς το πρόσημο του Α και ειδικά μόλις περάσουμε από την ουδέτερη ζώνη. Εάν χρησιμοποιήσουμε τον νόμο του διαρρεύματος για έναν κλειστό δρόμο, όπως φαίνεται στο σχήμα (3.47) θα προκύψει: Hδ Ax v(x)h v(x) δ (3.26 Το μέγεθος Η είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο διάκενο και δ είναι το πλάτος αυτού. Θεωρούμε ότι ο σίδηρος έχει μ= και συνεπώς η ένταση Η στο σίδηρο είναι μηδέν. Επομένως για τη μαγνητική επαγωγή που προέρχεται από το ρεύμα του τυμπάνου ισχύει η σχέση: B T=μ0ν (x) (

15 Όταν το πλάτος του διακένου δ είναι σταθερό (κάτω από τους πόλους) τότε το Β Τ παίρνει την ίδια μορφή την οποία δείχνει η καμπύλη (3) στο σχήμα (3.47). Για να βρούμε την καμπύλη του ολικού μαγνητικού πεδίου Βολ=Β π +Β Τ προσθέτουμε γραφικά τις καμπύλες Β π και Β Τ και παίρνουμε την καμπύλη (4). Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι ο κορεσμός του σιδήρου λόγω της μαγνητικής χαρακτηριστικής αυτού παίζει κάποιο ρόλο. Ειδικά η ολική καμπύλη δεν είναι ακριβώς το γεωμετρικό άθροισμα των δύο άλλων, αλλά παρουσιάζεται πεπλατυσμένη όπως δείχνει η καμπύλη (5) του σχήματος (3.47). Από την καμπύλη Β ολ διαπιστώνουμε ότι, πρώτον το μαγνητικό πεδίο υφίσταται παραμόρφωση κάτω από τους πόλους και δεύτερον η ουδέτερη ζώνη μετατοπίζεται κατά ένα τόξο α. 15

16 Όσον αφορά την παραμόρφωση, παρατηρούμε ότι κάτω από το αριστερό ήμισυ του πέλματος το ολικό μαγνητικό πεδίο είναι μικρότερο του πεδίου των πόλων, ενώ κάτω από το δεξιό ήμισυ αυτού έχουμε αύξηση του ολικού πεδίου. Η αύξηση αυτή είναι μικρότερη από την ελάττωση στο αριστερό ήμισυ, ώστε συνολικά η αντίδραση του τυμπάνου να προκαλεί εξασθένηση του αρχικού μαγνητικού πεδίου και κατά συνέπεια η μέση τιμή της τάσης εξ επαγωγής στους ακροδέκτες του τυμπάνου να υφίσταται ελάττωση. Η κατάσταση αυτή φαίνεται στο σχήμα (3.48) Σχήμα Τάση εξ επαγωγής Uεπ0(Θ) εν κενώ και υπό φορτίο Uεπ(Θ) για ορισμένο ρεύμα τυμπάνου. 16

17 Το σχήμα αυτό απεικονίζει την τάση εξ επαγωγής στο δρομέα ως συνάρτηση του διαρρεύματος διέγερσης Θ ή, όπως διαφορετικά λέγεται, των αμπερελιγμάτων διεγέρσεως w f i f. Στην κατάσταση εν κενώ, δηλαδή όταν το ρεύμα του τυμπάνου είναι μηδέν (Ι Τ =0), η διέγερση Θ Ν των πόλων δημιουργεί την τάση U επν στο δρομέα για έναν ορισμένο αριθμό στροφών n N. Εάν φορτίσουμε το δρομέα, δηλαδή στους αγωγούς αυτού περάσει ρεύμα (Ι Τ 0), τότε η τάση εξ επαγωγής λόγω της αντίδρασης του τυμπάνου θα υποστεί μείωση κατά ΔU επ και θα προκύψει η τάση U επ. Αυτό σημαίνει ότι, ενώ το διάρρευμα διεγέρσεως παραμένει Θ Ν =w f i fn, εν τούτοις η ενεργός δηλαδή η αποτελεσματική διέγερση έχει την μικρότερη τιμή Θ'. Το Θ' είναι ίσο με: Θ'ΘN ΔΘ, όπου ΔΘ μπορούμε να πούμε ότι είναι η ισοδύναμη εξασθένηση της αρχικής διέγερσης λόγω της αντίδρασης του τυμπάνου. Μπορούμε δηλαδή να ανάγουμε την εξασθένηση του αρχικού πεδίου σε μια ισοδύναμη μείωση του διαρρεύματος. 17

18 Για να έχουμε την ίδια τάση U επν κατά τη φόρτιση πρέπει να αυξήσουμε την διέγερση Θ Ν κατά ΔΘ, ώστε να προκύψει η ίδια ενεργός διέγερση όπως και στην κατάσταση εν κενώ. Στην πράξη αυτό δεν είναι εύκολο, διότι στο τύλιγμα διεγέρσεως υπό κανονική λειτουργία, δηλαδή ονομαστική, ρέει το ονομαστικό ρεύμα. Αύξηση του ρεύματος αυτού πέρα από το ονομαστικό δεν επιτρέπεται, για να μην έχουμε υπερθέρμανση του τυλίγματος διεγέρσεως. Επίσης δεν είναι σίγουρο ότι αυξάνοντας το I F, που είναι ανάλογο του Θ, θα αυξήσουμε το πεδίο οπωσδήποτε, διότι κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει όταν είμαστε κοντά στον κορεσμό. Έτσι προκύπτει η αναγκαιότητα να βρούμε τρόπους, με τους οποίους θα αντιμετωπίσουμε την αντίδραση του τυμπάνου. Παρακάτω θα δούμε ότι τούτο είναι δυνατόν με ένα τέχνασμα, τοποθετώντας δηλαδή μεταξύ των κυρίων πόλων άλλους πόλους πιο μικρούς, επάνω στους οποίους τοποθετούμε τυλίγματα κατάλληλα συνδεδεμένα για την αντιμετώπιση του μαγνητικού πεδίου του τυμπάνου (δρομέα). 18

19 3.5.3 Χαρακτηριστική εν κενώ, υπό φορτίο, μαγνητικό κύκλωμα ΗκαμπύληU επ0 =f(θ) που είδαμε στο σχήμα (3.48) λέγεται χαρακτηριστική εν κενώ και εκφράζει τη σχέση τάσης εξ επαγωγής στο τύλιγμα του δρομέα, όταν αυτός περιστρέφεται με σταθερή ταχύτητα και δεν διαρρέεται από ρεύμα, και του διαρρεύματος Θ της διέγερσης. Η καμπύλη Uεπ=f(Θ) εκφράζει το ίδιο πράγμα, αλλά όταν ο δρομέας διαρρέεται από ρεύμα. Η καμπύλη αυτή ονομάζεται χαρακτηριστική φορτίου. Η πρώτη καμπύλη προκύπτει εύκολα από μετρήσεις διότι μπορούμε άνετα να μετράμε το ρεύμα διέγερσης και την τάση του τυμπάνου χωρίς να φορτίζεται η μηχανή. Τότε η τάση στους ακροδέκτες είναι ίδια με την τάση εξ επαγωγής στο εσωτερικό του τυμπάνου. Όταν φορτιστεί το τύμπανο με ρεύμα, τότε η τάση στους ακροδέκτες είναι διαφορετική από την τάση εξ επαγωγής λόγω της πτώσης τάσης στην ωμική αντίσταση αυτού. 19

20 Οι μετρήσεις φυσικά γίνονται όταν υπάρχει η μηχανή. Για να έχουνε τη σχέση τάσεως εξ επαγωγής και διέγερσης πριν προχωρήσουμε στην κατασκευή, καταφεύγουμε στους υπο-λογισμούς. Ο υπολογισμός της χαρακτη-ριστικής εν κενώ U επ0 =f(θ) γίνεται κατά τον εξής τρόπο: Σχήμα Μαγνητικό κύκλωμα μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος. 20

21 Μια ορισμένη τάση εξ επαγωγής προέρχεται από ένα ορισμένο διάρρευμα Θ, το οποίο αντιστοιχεί σε ένα ορισμένο μαγνητικό πεδίο Η που επικρατεί στο διάκενο δ. Τη σχέση μεταξύ διαρρεύματος Θ και εντάσεως Η του μαγνητικού πεδίου βρίσουμε με τη βοήθεια του νόμου της διαρροής, σύμφωνα με την οποία ισχύει : Hdl l Εάν εφαρμόσουμε το ολοκλήρωμα αυτό για το μαγνητικό κύκλωμα του σχήματος 3.49 θα πάρουμε: Θ=ΗΤlT+2Hzlz+2Hδδ+2Hplp+HJlJ (3.28 Στη σχέση αυτή Η είναι η ένταση του πεδίου και ο δείκτης που τη συνοδεύει δηλώνει το μέρος της μηχανής όπου επικρατεί αυτή η ένταση. Το l σημαίνει το μήκος της μαγνητικής γραμμής, όπου η ένταση θεωρείται σταθερή. Έτσι χρησιμοποιούνται οι εξής συμβολισμοί: T = τύμπανο, z = δόντια τυμπάνου, δ = διάκενο αέρα μεταξύ στάτη και δρομέα, p=πόλοι διεγέρσεως, J = ζύγωμα. 21

22 Στο μαγνητικό κύκλωμα του σχήματος (3.49) δεν λάβαμε υπ' όψη μας το πεδίο σκεδάσεως, δηλαδή δυναμικές γραμμές που ξεκινούν από ένα πόλο και καταλήγουν στον διπλανό χωρίς να περάσουν από το δρομέα. Το πεδίο αυτό προέρχεται προφανώς από το Θ. Εάν θέλουμε να λάβουμε υπ' όψη τις αυλακώσεις, τότε στη θέση του δ χρησιμοποιούμε το δ'=δκ C όπου ΚC είναι ο συντελεστής του Carter (K C >1). ΓιαναφτάσουμετελικάστησχέσηU επ =f(θ) πρέπει για κάθε τιμή της Uεπ0 να βρούμε τη ροή σε κάθε τμήμα της μηχανής από την γνωστή σχέση U επ =CΩΦ. Κατόπιν με τη βοήθεια των διατομών από τις οποίες περνάει η ροή Φ ή τμήματα αυτής μπορούμε να βρούμε τη μαγνητική επαγωγή Β. Στησυνέχειαμετηβοήθειατης μαγνητικής χαρακτηριστικής Β=f(H), που πρέπει να είναι γνωστή για κάθε περιοχή του κλειστού δρόμου που είδαμε στο μαγνητικό κύκλωμα (σχήμα 3.49), μπορούμε να βρίσκουμε την αντίστοιχη ένταση Η. Έτσι η σχέση (3.28) μπορεί να μας χρησιμεύσει για τον υπολογισμό του Θ. Από τη σχέση Θ=w f i f, όπου w f είναι ο αριθμός σπειρών του τυλίγματος διέγερσης, μπορούμε να υπολογίσουμε το απαραίτητο ρεύμα διεγέρσεως. 22

23 Για να πάρουμε την καμπύλη U επ (Θ) που ισχύει για τη φόρτιση, πρέπει να γνωρίζουμε το ΔΘ δηλαδή την μείωση του διαρρεύματος των πόλων, ώστε να αφαιρεθεί από το διάρρευμα διέγερσης και να βρεθεί η νέα τάση εξ επαγωγής, όπως φαίνεται στο σχήμα (3.48). Το ΔΘ που βλέπουμε στο σχήμα αυτό είναι εντελώς καθορισμένο για ένα ορισμένο ρεύμα τυμπάνου και για μια ορισμένη μαγνητική ροή των πόλων. Στο σχήμα (3.50) βλέπουμε μια οικογένεια καμπυλών [1], οι οποίες απεικονίζουν τη σχέση του ΔΘ και του διαρρεύματος του τυμπάνου Α. Στο διάγραμμα αυτό ως ανεξάρτητη μεταβλητή εμφανίζεται ο λόγος ΔΘ/Ατ, όπου τ είναι η πολική απόσταση και ως εξαρτημένη μεταβλητή ο λόγος Ατ/2V δ, όπου V δ =Η δ δείναιημαγνητικήτάσηστο διάκενο, όταν εκεί υπάρχει η κανονική μαγνητική ροή των πόλων (100%). Οι διάφορες καμπύλες αντιστοιχούν σε παραμετρική μεταβολή της ροής αυτής, εκφράζεται δε η κάθε νέα διαφορετική ροή σε ποσοστά της κανονικής. Πρακτικά η παραμετρική αυτή μεταβολή εμφανίζεται, όταν ρυθμίζουμε την ταχύτητα με την βοήθεια της ροής των πόλων. 23

24 Με τη βοήθεια των καμπυλών αυτών και με τη χαρακτηριστική εν κενώ, η οποία προσδιορίζεται εύκολα με μετρήσεις ή με υπολογισμούς, μπορούμε να χαράξουμε την χαρακτηριστική φορτίου U επ =f(θ), όπως φαίνεται στο σχήμα (3.48), η οποία ισχύει για ένα ορισμένο ρεύμα τυμπάνου και ασφαλώς για ορισμένη ταχύτητα. Για μια άλλη τιμή του ρεύματος αυτού προκύπτει μια διαφορετική καμπύλη U επ (Θ), δηλαδή το ρεύμα τυμπάνου υπεισέρχεται ως παράμετρος. Το τρίγωνο ABC λέγεται χαρακτηριστικό τρίγωνο και χαρακτηρίζει ποσοτικά τη σχέση της πτώσης τάσης ΔU επ και της μεταβολής ΔΘ της ενεργούς διεγέρσεως για μια ορισμένη τιμή του ρεύματος του τυμπάνου. Σχήμα Για τον προςδιορισμό του ΔΘ για διάφορες τιμές του Φ και του Aτ/Vδ (Μέθοδος L.Greenwood). 24

25 3.5.4 Αντίδραση τυμπάνου κατά τη μετατόπιση των ψηκτρών Μια ιδέα για την αντιμετώπιση της αντίδρασης του τυμπάνου σχετικά με τα επακόλουθά της επί της αναστροφής του ρεύματος του τυμπάνου είναι η μετατόπιση των ψηκτρών στη θέση όπου μηδενίζεται το πεδίο. Εάν μετατοπίσουμε τις ψήκτρες από τη γεωμετρικά ουδέτερη ζώνη κατά τη γωνία β, τότε μπορούμε να διασπάσουμε το διάρρευμα του τυμπάνου σε δύο μέρη. Τo διάρρευμα το οποίο προέρχεται από το ρευματικό στρώμα του τόξου 2β, όπως δείχνει το σχήμα (3.51), λέγεται διάρρευμα μήκους Θl. Το διάρρευμα του τυμπάνου που προέρχεται από το ρευματικό στρώμα του τόξου (π-2β) λέγεται εγκάρσιο διάρρευμα Θ q. Ο διαχωρισμός αυτός ευνοείται από το γεγονός ότι υπάρχουν δύο ξεχωριστές μαγνητικές περιοχές λόγω της κατασκευής της μηχανής συνεχούς ρεύματος. Η περιοχή των πόλων παρουσιάζει μικρό και σταθερό διάκενο, η δε περιοχή μεταξύ αυτών χαρακτηρίζεται από μεγάλο διάκενο και συνεπώς μεγάλη μαγνητική αντίσταση.

26 Σχήμα Εγκάρσιο διάρρευμα και διάρρευμα μήκους. 26

27 Το διάρρευμα Θ l που ορίσαμε κατά μήκος του μαγνητικού άξονα των πόλων ισούται με: Θl 2β τ π A (3.29 Στη σχέση αυτή τ είναι το πολικό βήμα και Α το ρευματικό στρώμα του τυμπάνου. Όπως φαίνεται στο σχήμα (3.51) το διάρρευμα Θ l είναι αντιθέτου φοράς ως προς το διάρρευμα διεγέρσεως Θ, ώστε το ολικό διάρρευμα στην διεύθυνση των πόλων να είναι ίσο με την διαφορά : Θολ Θ-2β τ π A (

28 Σχήμα Σχέση τάσης εξ επαγωγής Uεπ και διεγέρσεως (διαρρεύματος) κατά τη μετατόπιση των ψηκτρών. 28

29 Εάν οι ψήκτρες μετακινηθούν κατά την αντίθετη φορά τότε θα έχουμε: Θολ Θ + Θ1 (3.31) Το ολικό διάρρευμα κατά μήκος των πόλων δημιουργεί το ολικό μαγνητικό πεδίο, από το οποίο προέρχεται η τάση εξ επαγωγής στο τύμπανο. Τη σχέση δε μεταξύ ολικού διαρρεύματος και τάσης δείχνει το σχήμα Tο μέγεθος U επ0 (Θ) παριστάνει την καμπύλη τάσης εν κενώ, U επ (Θ) την καμπύλη υπό φορτίο όταν οι ψήκτρες βρίσκονται στην ουδέτερη ζώνη. Όταν έχουμε μετατόπιση των ψηκτρών σε μία γεννήτρια, προκύπτει η καμπύλη U' επ (Θ)η οποία βρίσκεται δεξιά των προηγουμένων επειδή τα δύο διαρρεύματα Θ Ν και Θ 1 αφαιρούνται. Εάν η μηχανή λειτουργεί ως κινητήρας, τότε προκύπτει η αριστερή καμπύλη U'' επ (Θ). 29

30 Για ένα ορισμένο ρευματικό στρώμα Α του τυμπάνου και για μια ορισμένη διαρροή Θ Ν προκύπτει η πτώση τάσης ΔU' επ, η οποία δημιουργείται λόγω της αντίδρασης του τυμπάνου κατάτηνμετακίνησητωνψηκτρών. Ημετακίνηση δε των ψηκτρών είναι αναγκαία, όταν η μηχανή στερείται βοηθητικών πόλων. Οι ψήκτρες πρέπει διαρκώς να βρίσκονται σε μια θέση, στην οποία το μαγνητικό πεδίο είναι μηδέν. Και τούτο διότι διαφορετικά θα αναπτυσσόταν στις σπείρες, οι οποίες στιγμιαία βραχυκυκλώνονται από τις ψήκτρες, μια τάση εξ επαγωγής, η οποία θα μπορούσε να προκαλέσει σπινθηρισμούς. Οι καμπύλες U' επ (Θ) και U'' επ (Θ) εξαρτώνται από το ρεύμα του τυμπάνου. Όταν έχουμε μεταβλητή φόρτιση δηλαδή μεταβολή του ρεύματος τυμπάνου, όπως συμβαίνει στα αυτοματοποιημένα κινητήρια συστήματα, τότε είμαστε αναγκασμένοι να μετατοπίζουμε διαρκώς τις ψήκτρες. Γι' αυτό η μέθοδος αυτή δεν έχει πρακτική σημασία, βρέθηκαν δε άλλοι τρόποι αντιμετώπισης του προβλήματος. 30

31 3.5.5 Επακόλουθα της αντίδρασης του τυμπάνου Η αντίδραση του τυμπάνου επιφέρει ανεπιθύμητες συνέπειες στη λειτουργία της μηχανήςσυνεχούςρεύματος, οι οποίες μπορούν να ταξινομηθούν ως εξής: Η πρώτη συνέπεια σχετίζεται με το γεγονός ότι η αντίδραση τυμπάνου κυρίως προκαλεί παραμόρφωση του αρχικού μαγνητικού πεδίου και μάλιστα κάτω από το ένα ήμισυ των πόλων δημιουργείται μια συμπύκνωση των μαγνητικών γραμμών ενώ στο άλλο αραίωση, δηλαδή εμφανίζεται αύξηση ή ελάττωση του πεδίου. Η συμπύκνωση μπορεί να προκαλέσει κυκλικό σπινθηρισμό. Ο κυκλικός σπινθηρισμός εμφανίζεται, όταν μεταξύ δύο γειτονικών τομέων του συλλέκτη η τάση υπερβεί τα 30V (σύμφωνα με τις διάφορες μελέτες). Η υπέρβαση αυτή συμβαίνει λόγω αύξησης του πεδίου. 31

32 Η σκόνη που προέρχεται από την τριβή των ψηκτρών και συγκεντρώνεται επάνω στο μονωτικό υλικό μεταξύ των τομέων, μπορεί να ευνοήσει τη δημιουργία σπινθηρισμών υπό μορφή βολταϊκού τόξου. Το τόξο αυτό σχηματίζεται μεταξύ δύο τομέων, μπορεί δε να επεκταθεί και να σχηματιστεί ένας ολόκληρος δακτύλιος (κυκλικός σπινθηρισμός) και τελικά να δημιουργηθεί ένα τόξο μεταξύ των ψηκτρών διαφορετικής πολικότητας. Τότε το αποτέλεσμα είναι να βραχυκυκλωθεί η πηγή τροφοδοσίας του τυμπάνου, διότι η αντίσταση του τόξου είναι πολύ μικρή. Η τάση μεταξύ δύο γειτονικών τομέων κατά τη λειτουργία της μηχανής χωρίς φορτίο είναι: es0 Z p Kα lv T Bπ (3.32 Τα διάφορα σύμβολα έχουν την εξής σημασία: Ζ = αριθμός αγωγών τυμπάνου, k = αριθμός τομέων, p = αριθμός ζευγών πόλων, α = αριθμός ζευγών παράλληλων κλάδων, l = μήκος δρομέα, v T = γραμμική ταχύτητα τυμπάνου και Β π = η μέγιστη τιμή του μαγνητικού πεδίου των πόλων. 32

33 Το μέγεθος z k.p α παριστάνει τον αριθμό των ενεργών αγωγών, μεταξύ δύο γειτονικών τομέων. Από τη σχέση (3.32) προκύπτει ότι, εάν αυξηθεί το Β π λόγω παραμόρφωσης από την αντίδραση του τυμπάνου, σε κάποια περιοχή η τάση e S0 θα αυξηθεί όταν ο εν λόγω τομέας διέρχεται από την περιοχή αυτή με αποτέλεσμα να δημιουργηθούν σπινθηρισμοί. Αυτό είναι και το πρώτο μειονέκτημα της αντίδρασης τυμπάνου. Η τάση e S0 είναι πολύ σημαντικό μέγεθος, διότι είναι καθοριστικό για την οριακή ισχύ μιας μηχανής συνεχούς ρεύματος. Η μέγιστη επιτρεπτέα τιμή της εξαρτάται από την αντίσταση του κυκλώματος που κλείνει μέσω δύο γειτονικών τομέων. Για μεγάλες μηχανές η μέγιστη επιτρεπόμενη τιμή κυμαίνεται περί τα 30V, για μηχανές μεσαίας ισχύος περί τα 35V και για μηχανές ελάχιστης ισχύος περί τα 60V. Η ισχύς των μηχανών γενικά δίνεται από μια σχέση που έλαβε την ονομασία εξίσωση του ESSON και έχει την ακόλουθη μορφή: P CD 2 ln (

34 C είναι ο συντελεστής εκμετάλλευσης κατά ESSON και η μονάδα μέτρησης του είναι C=Watt sec / m 3. D είναι η διάμετρος του διάκενου μεταξύ στάτη και δρομέα, l είναι το ενεργό μήκος της μηχανής και n ο αριθμός των στροφών του δρομέα. Ο συντελεστής C εξ ορισμού περιέχει τα ακόλουθα μεγέθη: C π2 60 α π Βπ Α (3.34 με Β π σε Gauss, Α σε A/cm, α π = 0,6 0,75 είναι ένας συντελεστής που έχει σχέση με την διαμόρφωση των πόλων. Εάν λάβουμε υπ' όψη μας ότι V T = πdn/60 με n σε στροφές ανά λεπτό και συμπτύξουμε τις σχέσεις (3.31), (3.32) και (3.33), θα καταλήξουμε στη σχέση: P es0 Dπ 2000 α π Α σε kw (3.35 όπου e S0 πρέπει να εκφράζεται σε V, Α σε A/cm και D σε cm. Παρατηρούμε λοιπόν ότι η μέγιστη ισχύς εξαρτάται από τη μέγιστη τάση e S0.

35 Η δεύτερη συνέπεια είναι η πτώση τάσεως εξ επαγωγής, η οποία εμφανίζεται στο εσωτερικό του τυμπάνου σύμφωνα με την καμπύλη U' επ (Θ) ή U' επ (Θ) του σχήματος (3.52). Είπαμε παραπάνω ότι κατά μέσο όρο η μαγνητική ροή ελαττώνεται με αποτέλεσμα να ελαττωθεί η τάση εξ επαγωγής σύμφωνα με τον τύπο (3.14). Η τρίτη ανεπιθύμητη συνέπεια είναι η αύξηση των απωλειών σιδήρου κατά τη φόρτιση σε σύγκριση με τις απώλειες σιδήρου στην εν κενώ λειτουργία. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η παραμόρφωση δημιουργεί κατά τόπους αύξηση του τελικού πεδίου, κυρίως αυτό συμβαίνει στα δόντια. Όπως δε γνωρίζουμε οι απώλειες σιδήρου είναι ανάλογες του τετραγώνου της μαγνητικής επαγωγής, επομένως είναι δυνατόν να έχουμε σε ορισμένες περιοχές και περισσότερο στα δόντια, μεγάλες τιμές αυτού του τετραγώνου με αποτέλεσμα τοπική υπερθέρμανση. Είναισαφέςότιπρέπειναληφθούνμέτραγιατην αντιμετώπιση της αντίδρασης του τυμπάνου. Τα μέτρα αυτά περιγράφονται παρακάτω. 35

36 3.5.6 Εξουδετέρωση της αντίδρασης του τυμπάνου Η αντίδραση του τυμπάνου εξουδετερώνεται με τρεις τρόπους ήτοι, με τους βοηθητικούς πόλους επάνω στους οποίους τυλίγεται το βοηθητικό τύλιγμα, με το τύλιγμα αντιστάθμισης και με άλλες ειδικές κατασκευαστικές μεθόδους. Τον σημαντικότερο ρόλο παίζουν οι βοηθητικοί πόλοι, οι οποίοι υπάρχουν σε όλες τις μηχανές συνεχούς ρεύματος και διεγειρόμενοι από το βοηθητικό τύλιγμα δημιουργούν ένα κατάλληλο πεδίο τυμπάνου. Μόνο πολύ μικρές μηχανές, περίπου κάτω των 500 Watt, κατασκευάζονται χωρίς βοηθητικούς πόλους. 36

37 Βοηθητικοί πόλοι Όπως αναφέρθηκε, οι ψήκτρες βρίσκονται σε περιοχές όπου το μαγνητικό πεδίο είναι διάφορο του μηδενός, όταν φορτίζεται η μηχανή ένεκα της μετατόπισης της ουδέτερης ζώνης. Εξάλλου οι ψήκτρες διαρκώς βραχυκυκλώνουν ορισμένα πηνία μέσω του συλλέκτη. Τα βραχυκυκλωμένα αυτά πηνία κινούνται μέσα στο μαγνητικό πεδίο, το οποίο δημιουργείται από την αντίδραση του τυμπάνου. Σε κάθε βραχυκυκλωμένο πηνίο από την κίνηση αυτή αναπτύσσεται τάση εξ απαγωγής, ηοποίαμπορείνα προκαλέσει σπινθηρισμούς. Για να αποφύγουμε τη δημιουργία αυτής της ανεπιθύμητης τάσης, πρέπει να μετακινήσουμε τις ψήκτρες και να τις τοποθετήσουμε στη νέα θέση της γεωμετρικής ζώνης. Όμως η θέση αυτή εξαρτάται από το εκάστοτε ρεύμα, το οποίο διαρρέει το τύλιγμα του τυμπάνου. Συνεπώς επιβάλλεται να βρούμε άλλο τρόπο διαφυγής από την δυσμενή επίδραση του πεδίου του τυμπάνου. Η λύση δίνεται με τους βοηθητικούς πόλους, οι οποίοι τοποθετούνται στην γεωμετρική ουδέτερη ζώνη. 37

38 Το τύλιγμα επί των βοηθητικών πόλων συνδέεται σε σειρά με το τύλιγμα του τυμπάνου. Το διάρρευμα (αμπερελίγματα) του βοηθητικού τυλίγματος πρέπει να έχει τέτοια τιμή, ώστε πρώτα να εξουδετερωθεί το εγκάρσιο μαγνητικό πεδίο στη γεωμετρική ουδέτερη ζώνη και δεύτερο στην περιοχή αυτή να αναπτύσσεται ένα πεδίο, ικανό να δημιουργήσει στο υπό των ψηκτρών βραχυκυκλωμένο πηνίο μια τάση εξ επαγωγής, η οποία καθιστά δυνατή την ομαλή αναστροφή του ρεύματος τυμπάνου, όπως θα δούμε παρακάτω. Ο ρόλος δηλαδή του βοηθητικού τυλίγματος είναι διπλός. Η πολικότητα των βοηθητικών πόλων καθορίζεται ως εξής: Εάν ακολουθούμε τη φορά περιστροφής, σε μια γεννήτρια ο βοηθητικός πόλος πρέπει να έχει την αντίθετη πολικότητα εκείνης, την οποία έχει ο αμέσως προηγούμενος κύριος πόλος. Εάν η μηχανή λειτουργεί ως κινητήρας, τότε μετά από ένα κύριο πόλο ακολουθεί ένας βοηθητικός πόλος της ίδιας πολικότητας κινούμενοι κατά τη φορά περιστροφής. 38

39 Η παραμόρφωση του πεδίου κάτω από τους κύριους πόλους, μπορεί να εξουδετερωθεί, εάν επί της επιφάνειας του πέλματος υπάρχει διάρρευμα ίσο με το διάρρευμα μήκους Θ l του τυμπάνου, που αναφέρθηκε προηγουμένως στην ανάλυση της αντίδρασης του τυμπάνου. Αυτό επιτυγχάνεται με την τοποθέτηση ενός τυλίγματος επάνω στα πέλματα, το οποίο διαρρέεται από το ρεύμα τυμπάνου, δηλαδή συνδέεται σε σειρά με το τύλιγμα του τυμπάνου και λέγεται τύλιγμα αντιστάθμισης. Στο σχήμα 3.53, φαίνεται η τομή μιας μηχανής με βοηθητικούς πόλους και τυλίγματα αντιστάθμισης. Στο σχήμα 3.53.α φαίνονται οι κύριοι και οι βοηθητικοί πόλοι με τα αντίστοιχα τυλίγματα, στο 3.53.β φαίνεται το τύλιγμα αντιστάθμισης μαζί με το τύλιγμα του τυμπάνου και στο 3.53.γ παρουσιάζεται το βοηθητικό, το τύλιγμα αντιστάθμισης και το τύλιγμα του τυμπάνου. Συνήθως το τύλιγμα αυτό αποτελείται από ράβδους, οι οποίες τοποθετούνται στις αυλακώσεις και λυγίζοντας έτσι, ώστε να σχηματίζουν σπείρες.

40 Στο σχήμα (3.54) φαίνεται ότι με την διαρροή του τυλίγματος αντιστάθμισης Θ Α αναιρείται κάτω από τους πόλους η διαρροή του τυμπάνου ΘΤ (ΘΤΘA). Στο διάκενο μεταξύ των πόλων δεν υφίσταται τέτοιου είδους εξουδετέρωση, αλλά εκεί επενεργούν οι βοηθητικοί πόλοι. Οι αυλακώσεις για την τοποθέτηση των τυλιγμάτων αντιστάθμισης και τυμπάνου έχουν διαφορετικό σχήμα και διαφορετικές αποστάσεις τ nt και τ nα, για να έχουμε όσο γίνεται μικρότερες διακυμάνσεις του μαγνητικού πεδίου κάτω από τους πόλους α β γ Σχήμα Μηχανή συνεχούς ρεύματος με βοηθητικούς πόλους (α) και τύλιγμα αντιστάθμισης (β). 40

41 Για να έχουμε απόλυτη αντιστάθμιση του διαρρεύματος μήκους θα πρέπει τα ρευματικά στρώματα τυμπάνου και αντιστάθμισης να είναι ίσα, δηλαδή Α Τ =Α Α. Τότε μεταξύ των διαρρευμάτων των επιμέρους αυλακώσεων και των αποστάσεων αυτών των αυλακώσεων, δηλαδή μεταξύ ηλεκτρικών και γεωμετρικών στοιχείων, πρέπει να ισχύει: Θ nτ /τ nτ = Θ nα /τ nα. Σχετικά με την αντιμετώπιση των συνεπειών του πεδίου του τυμπάνου μπορούμε να πούμε συνοπτικά τα εξής: Το τύλιγμα αντιστάθμισης αναιρεί την παραμόρφωση του μαγνητικού πεδίου κάτω από τους πόλους και οι βοηθητικοί πόλοι αναιρούν το μαγνητικό πεδίο μεταξύ των πόλων στη γεωμετρική ζώνη, το οποίο προέρχεται από το ρεύμα του τυμπάνου. Επί πλέον οι βοηθητικοί πόλοι μαζί με το βοηθητικό τύλιγμα δημιουργούν το αναγκαίο πεδίο για μια κανονική αναστροφή του ρεύματος στο εκάστοτε πηνίο, που κατά την περιστροφή του τυμπάνου βραχυκυκλώνεται από τις ψήκτρες. Μικρές μηχανές συνήθως έχουν μόνο βοηθητικούς πόλους οι οποίοι είναι περισσότερο απαραίτητοι, έτσι δε έχουμε απλούστερη κατασκευή και μικρότερο κόστος. 41

42 Σχήμα Εξουδετέρωση του διαρρεύματος του τυμπάνου ΘΤ κάτω από τους πόλους με το τύλιγμα αντιστάθμισης. 42

43 Άλλες μέθοδοι για την αντιμετώπιση της αντίδρασης του τυμπάνου Εάν οι πόλοι κατασκευαστούν καταλλήλως από ελάσματα, όπως βλέπουμε στο σχήμα 3.55, τότε το πέλμα βρίσκεται στο μαγνητικό κορεσμό (αύξηση της μαγνητικής επαγωγής Β λόγω μείωσης της επιφάνειας διέλευσης της μαγνητικής ροής του τυμπάνου) και έτσι η μαγνητική διαπερατότητα ελαττώνεται. Αυτό συνεπάγεται ελάττωση της παραμόρφωσης του πεδίου, όπως είδαμε στο σχήμα 3.47, καμπύλη 5. Επίσης με μία ή περισσότερες αυλακώσεις στους πόλους (σχήμα 3.55) παρέχεται η δυνατότητα εξασθένησης του πεδίου του τυμπάνου, επειδή έτσι αυξάνεται η μαγνητική αντίσταση για τη μαγνητική ροή του τυμπάνου, η οποία ρέει διαμέσου των κυρίων πόλων. 43

44 Σχήμα ιάφοροι τρόποι για την ελάττωση της παραμόρφωσης του μαγνητικού πεδίου. 44

45 3.6 Αναστροφή ρεύματος τυμπάνου Λέγοντας αναστροφή ρεύματος, εννοούμε την αλλαγή της φοράς του ρεύματος του τυμπάνου σε ένα πηνίο μόλις αυτό περάσει μπροστά από μία ψήκτρα (δημιουργία εναλλασσόμενου ρεύματος). Το ρεύμα μιας ψήκτρας διέρχεται προηγουμένως από ένα τομέα, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με ένα πηνίο (ομάδα) του τυλίγματος και περιστρέφεται. Η ροή του ρεύματος διαμέσου αυτού του τομέα διαρκεί τόσο χρόνο, όσο αυτός ο τομέας έρχεται σε επαφή με την ψήκτρα. Βασικό χαρακτηριστικό της αναστροφής είναι το γεγονός ότι κατά το χρονικό διάστημα που συμβαίνει αυτή βραχυκυκλώνεται το πηνίο από μια ή περισσότερες ψήκτρες. Εάν έχουμε βροχοτύλιγμα τα άκρα ενός πηνίου καταλήγουν σε διπλανούς τομείς και βραχυκυκλώνονται από μία θετική ή αρνητική ψήκτρα. 45

46 Εάν πρόκειται για κυματοτύλιγμα βραχυκυκλώνονται από δύο ψήκτρες της ίδιας πολικότητας μέσω της εξωτερικής συνδεσμολογίας. Κατά την αναστροφή παίζουν σημαντικό ρόλο μηχανικοί, ηλεκτρομαγνητικοί, ηλεκτρομηχανικοί και θερμικοί παράγοντες. Ένας ακριβής αναλυτικός υπολογισμός είναι αδύνατος, διότι οι παράγοντες αυτοί είναι μεταβλητοί και δεν μπορούν να συνυπολογιστούν. Εδώ θα παρουσιασθεί η βασική θεώρηση αυτού του φαινομένου. 46

47 3.6.1 Χρονική συνάρτηση ρεύματος κατά την αναστροφή Για να κατανοηθεί το φαινόμενο της αναστροφής παρακολουθούμε το σχήμα Το πηνίο 1, το οποίο για να διακρίνεται έχει σχεδιαστεί με εντονότερη γραμμή, κινείται μαζί με το συλλέκτη μπροστά από τις ψήκτρες με γραμμική ταχύτητα v k. Κατά τη χρονική στιγμή t=0 το εξωτερικό ρεύμα Ι Τ, το οποίο θεωρείται χρονικά σταθερό, καθώς διέρχεται μέσα από την ψήκτρα και τον τομέα 1, χωρίζεται σε δύο ίσα μέρη. Το ήμισυ διαρρέει το πηνίο 1 κατά τη φορά του βέλους. Κατά τη δεύτερη φάση (t=t), η ψήκτρα εφάπτεται δύο τομέων 1 και 2. Έτσι το πηνίο 1 βραχυκυκλώνεται και εντός αυτού ρέει το ρεύμα βραχυκύκλωσης i k. Μετά από χρόνο t=t k η ψήκτρα εφάπτεται μόνο του τομέα 2, εν τω μεταξύ το ρεύμα έχει αλλάξει φορά στο πηνίο 2, ενώ στον τομέα 1 δεν ρέει πλέον ρεύμα παρά μόνο στον τομέα 2. 47

48 Σχήμα Αναστροφή ρεύματος τυμπάνου. 48

49 Κατά την αλλαγή της φοράς του ρεύματος σ' ένα πηνίο ενδιαφέρον παρουσιάζει η φορά του ρεύματος i k ως συνάρτηση του χρόνου. Για να βρούμε τη χρονική συνάρτηση του ρεύματος i k, παρακολουθούμε το κύκλωμα που σχηματίζεται κατά τον χρόνο του βραχυκυκλώματος, όπως φαίνεται στο σχήμα Για το βραχυκυκλωμένο πηνίο ισχύει η ακόλουθη εξίσωση τάσεων: i 1 R 1 i k R π i 2 R 2 i 2 R 3 i 1 R 4 L π di k dt e k (3.35 Στη σχέση αυτή R 1 και R 2 είναι οι αντιστάσεις των αγωγών, οι οποίοι συνδέουν το πηνίο με τους τομείς του συλλέκτη και διαρρέονται αντίστοιχα από τα ρεύματα i 1 και i 2. Επίσης R π είναι η αντίσταση του βραχυκυκλωμένου πηνίου και R 3 είναι η αντίσταση την οποία συναντά το ρεύμα, όταν διέρχεται από την ψήκτρα και τον τομέα 2. R 4 είναι η αντίσταση κατά τη διάβαση του ρεύματος από τον τομέα 1 προς την ψήκτρα. 49

50 εν είναι δυνατή η προβολή αυτής της εικόνας αυτή τη στιγμή. Οι αντιστάσεις R 3 και R 4 είναι συναρτήσεις του χρόνου, διότι οι επιφάνειες επαφής της ψήκτρας με τους τομείς 1 και 2 μεταβάλλονται κατά την περιστροφή του συλλέκτη. Αυτή η χρονική εξάρτηση των αντιστάσεων καθιστά την διαφορική εξίσωση (3.35) μη γραμμική και συνεπώς δυσχεραίνει τη λύση της. Επίσης είναι δυνατόν λόγω φθοράς ή συσσώρευσης σκόνης να μη γίνεται τέλεια η επαφή ψήκτρας και τομέα και έτσι να μην είναι σίγουρη οποιαδήποτε σχέση γράψουμε για τη χρονική συνάρτηση του R 3 και R 4. Για την εύρεση αποδεκτής λύσης έχουνε γίνει διάφορες εργασίες. Στην ιδανική περίπτωση για τον υπολογισμό τους ισχύουν τα ακόλουθα: Σχήμα Για τον υπολογισμό του ρεύματος ik κατά την αναστροφή. 50

51 Εάν Τ είναι ολόκληρος ο χρόνος της αναστροφής, v k η ταχύτητα του συλλέκτη και b B το πλάτος της ψήκτρας, τότε μπορούμε να γράψουμε: vkt=bb, b2=vkt, b1=vk(t-t) (3.36 Οι ζώνες επαφής έχουν τα πλάτη b 1 και b 2. Εάν R είναι η αντίσταση επαφής ολόκληρης της ψήκτρας, τότε οι αντιστάσεις R 3 και R 4 προκύπτουν από τις σχέσεις: R3 =R b B b2 R T t (3.37 Στην εξίσωση (3.35) το μέγεθος L π παριστάνει τον συντελεστή αυτεπαγωγιμότητας του βραχυκυκλωμένου πηνίου. Ένεκα αυτής της αυτεπαγωγιμότητας δημιουργείται κατά τη μεταβολή του ρεύματος τάση εξ επαγωγής -L π di k dt κατά μήκος του πηνίου. Η αυτεπαγωγιμότητα L π καθορίζεται από το πεδίο σκέδασης του πηνίου ή των πηνίων που συμμετέχουν στην αναστροφή. Το πεδίο σκέδασης αναπτύσσεται εντός της αυλακώσεως, μεταξύ των οδοντώσεων στο διάκενο και στις μετωπικές συνδέσεις. Είναι αυτονόητο ότι η αναστροφή επηρεάζεται και από το πεδίο σκεδάσεως άλλων πηνίων, τα οποία τυχόν βρίσκονται στην ίδια αυλάκωση και υπόκεινται σε αναστροφή την ίδια χρονική στιγμή. 51

52 Η λεγόμενη τάση αναστροφής di k e A =-L π επιβραδύνει την αναστροφή του dt ρεύματος στο πηνίο, διότι το πηνίο αυτό και τυχόν άλλα λόγω μαγνητικής αδράνειας αντιδρούν στην αλλαγή αυτή. Και αυτό ακριβώς είναι το πρόβλημα, ότι πρέπει να επηρεάσουμε την εξέλιξη της αναστροφής, ώστε μετά από χρόνο t k το ρεύμα του πηνίου να αποκτήσει ακριβώς την τιμή - I T 2. Εάν η ψήκτρα εγκαταλείψει τον τομέα 2 και το ρεύμα δεν έχει πάρει ακόμη την τιμή αυτή, τότε θα δημιουργηθεί φωτεινό τόξο, όπως συμβαίνει σε άλλα διακοπτικά φαινόμενα. Όμως εκτός της e A δημιουργείται επί πλέον μια τάση e k κατά μήκος του βραχυκυκλωμένου πηνίου ένεκα της κίνησης αυτού εντός του μαγνητικού πεδίου, το οποίο επικρατεί στη θέση όπου συμβαίνει η αναστροφή του ρεύματος. Η τάση e k επηρεάζεται από τους βοηθητικούς πόλους, καθ' όσον αυτοί καθορίζουν το μαγνητικό πεδίο στην περιοχή μεταξύ των κυρίων πόλων. Η αναστροφή γίνεται ακριβώς όταν το πηνίο που βραχυκυκλώνεται βρίσκεται στην περιοχή αυτή. 52

53 και i 2 : Εκτός από τις παραπάνω σχέσεις έχουμε ακόμη δύο εξισώσεις για τα ρεύματα i 1 i 1 I T 2 i k, i 2 I T 2 i k (3.38 Έτσι από τις σχέσεις (3.35) και (3.38) προκύπτει η εξίσωση: I T I T 2 i k R T T-t 2 i k R T t R 1 R 2 R π i k R 1 R 2 I T di k 2 L π dt e k (3.39 Μια γενική αναλυτική λύση της εξίσωσης 3.39 είναι αδύνατη, γι' αυτό με γνωστές τις παραμέτρους R, R 1, R 2, R 3, L π, i T και e k καταφεύγουμε σε προσεγγιστικές λύσεις χρησιμοποιώντας γνωστές μεθόδους. 53

54 Η μορφή του ρεύματος i k (t) έχει μεγάλη σημασία για τη δημιουργία σπινθηρισμών στην περιοχή ψήκτρας και τομέων που συμμετέχουν στην αναστροφή, διότι η χρονική μεταβολή di k dt παίζει σημαντικό ρόλο για το μέγεθος της τάσης αναστροφής, η οποία επηρεάζει την εξέλιξη του φαινομένου της αναστροφής. Η λύση της εξίσωσης (3.39) δηλαδή η χρονική συνάρτηση του i k με παράμετρο την τάση e k απεικονίζεται στο σχήμα (3.58). Εάν παραλείψουμε τις τάσεις εξ επαγωγής και τις αντιστάσεις του πηνίου και των αγωγών σύνδεσης, τότε παίρνουμε την καμπύλη 1, η οποία είναι μια ευθεία γραμμή. Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι έχουμε ευθύγραμμη αναστροφή, η οποία σημαίνει ότι κατά το διάστημα του βραχυκυκλώματος οι πυκνότητες ρεύματος και οι τάσεις επαφής των ψηκτρών είναι σταθερές και ίσες. 54

55 Σχήμα Ρεύμα στο βραχυκυκλωμένο πηνίο κατά την αναστροφή με παράμετρο την τάση ek. 55

56 Εάν ληφθούν υπ' όψη όλες οι αντιστάσεις αλλά παραλείψουμε την τάση αναστροφής και την τάση e k, θα πάρουμε καμπύλες της μορφής 2 και η αναστροφή αυτού του τύπου ονομάζεται ωμική αναστροφή. Μέχρι παρατηρούμε μικρή επιτάχυνση, κατόπιν δε μικρή επιβράδυνση της αναστροφής. Εάν ληφθούν υπ' όψη οι αντιστάσεις και οι τάσεις εξ απαγωγής τότε θα προκύψουν οι καμπύλες 3 έως 6, ανάλογα προς την τιμή της e k η οποία εξαρτάται από το μαγνητικό πεδίο και την ταχύτητα. Το πεδίο προκύπτει από την αντίδραση του τυμπάνου και τους βοηθητικούς πόλους, με τους οποίους μπορούμε να καθορίσουμε το μέγεθος αυτού εκλέγοντας κατάλληλο βοηθητικό τύλιγμα. Εάν η e k είναι μεγαλύτερη του μηδενός, τότε η αναστροφή επιβραδύνεται, ενώ αντίθετα για e k <0 έχουμε επιτάχυνση αυτής. Εάν η e k πάρει μεγάλες τιμές, τότε η αναστροφή δεν τελειώνει μετά από χρόνο t=t= b B v k και το ρεύμα i k μεταβαίνει απότομα στην τιμή - Ι Τ 2. Αυτό όμως προκαλεί σπινθηρισμό. Αποδεικνύεται ότι για να γίνει η αναστροφή γενικά χωρίς σπινθηρισμούς, πρέπει να πληρούται η σχέση: TR Lπ 1 (3.40 Τ 2 56

57 Η διαπίστωση αυτή προκύπτει από τη σχέση (3.39) μετά από τον εξής συλλογισμό: Θεωρούμε R 1 =R 2, πράγμα που είναι κατασκευαστικώς δυνατό. Όταν ο χρόνος t τείνει προς την τιμή T, τότε το ρεύμα i k τείνει στην τιμή - Ι Τ 2. Για την πρώτη παράγωγο του i k μπορούμε τότε να γράψουμε: lim tt I T 2 i k T-t di k dt (3.41 Έτσι η σχέση (3.36) παίρνει τώρα την ακόλουθη μορφή: RT di k dt RI T ( R 1 +R 2 +R π ) I T 2 di k L π dt e k (3.42 Λύνουμε ως προς di k dt και πολλαπλασιάζουμε με -L π, οπότε παίρνουμε το όριο της τάσης εξ επαγωγής μεταξύ ψήκτρας και απομανρυνομένου τομέα: lim tt L π di k e dt k ( 2R+R ) 1 +R π 2 TR L π 1 I T (

58 Για την τιμή TR L =1 η τάση αυτή γίνεται άπειρη π κατά την στιγμή t=t, υπό την προϋπόθεση ότι ο αριθμητής είναι διάφορος του μηδενός. Εάν η e k είναι αρνητική και η απόλυτη τιμή της είναι ίση με (2R+R 1 +R 2 +R π )I T 2, η πρώτη παράγωγος του i k είναι μηδέν για την τιμή i k =- Ι Τ 2. Εάν η e k αποκτήσει μεγαλύτερη αρνητική τιμή και συγχρόνως ισχύει η σχέση (3.40), η τάση αναστροφής γίνεται αρνητική για tt δηλαδή η πρώτη παράγωγος του i k γίνεται θετική (καμπύλη 6 στο σχήμα 3.58). Αφού λοιπόν αυξανομένης της αρνητικής τιμής της e k επιταχύνεται η αναστροφή του i k δηλαδή στο σχήμα (3.58) η καμπύλη I k (t) μετατοπίζεται προς τα κάτω και επειδή δεχτήκαμε ότι για tt πρέπει i k - Ι Τ 2, πρέπει ο παρονομαστής της σχέσης (3.43) να είναι θετικός, ήτοι RT L π >1, ώστε η πρώτη παράγωγος di k dt να είναι θετική. Για θετική e k η παράγωγος αυτή είναι αρνητική (καμπύλη 3 στο σχήμα 3.58) και γίνεται άπειρη για RT L π =1. 58

59 Εάν ο λόγος γίνει μικρότερος της μονάδας, τότε δεν είναι δυνατόν υπό την επίδραση της e k θετικής ή αρνητικής να οδηγηθεί το ρεύμα ομαλά στην τιμή - Ι Τ 2 για t=t. Αυτή τη στιγμή η τιμή του είναι διάφορη της τιμής - Ι Τ 2 και γι' αυτό πρέπει αναγκαστικά να κάνει ένα άλμα για να πάει στην τιμή αυτή. Τούτο όμως σημαίνει ότι η πρώτη παράγωγος του ρεύματος και μαζί της η τάση αναστροφής di k e A =-L π γίνεται άπειρη με αποτέλεσμα τη dt δημιουργία σπινθηρισμών. Από αυτές τις διαπιστώσεις διαφαίνεται ότι η επιτάχυνση της αναστροφής, (σ' αυτή την περίπτωση λέμε ότι έχουμε υπεραναστροφή) είναι ευνοϊκή μέχρις ενός ορίου. Απ εκει και πέρα διατρέχουμε τον κίνδυνο να μην τελειώσει ομαλά η αναστροφή τη στιγμή που απομακρύνεται η ψήκτρα από τον τομέα και να έχουμε σπινθηρισμό. Όταν έχουμε επιβράδυνση της αναστροφής (λέμε ότι έχουμε υποαναστροφή) συμβαίνουν περίπου τα ίδια, δηλαδή η καμπύλη 3 στο σχήμα (3.58) ακόμα δεν μας ενοχλεί, ενώ για περαιτέρω επιβράδυνση διατρέχουμε τον κίνδυνο των σπινθηρισμών. 59

60 3.6.2 υνατότητες επηρεασμού της αναστροφής Οι δυνατότητες επηρεασμού του φαινομένου της αναστροφής γίνονται αντιληπτές από την εξίσωση (3.39) των τάσεων του βραχυκυκλωμένου πηνίου. Η ωμική αναστροφή όπου το άθροισμα των τάσεων εξ επαγωγής είναι di k μηδέν, δηλαδή -L π dt +e k=0, προφανώς επηρεάζεται από τις ωμικές αντιστάσεις του βραχυκυκλωμένου πηνίου. Εύκολα αποδεικνύεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση επαφής μιας ψήκτρας ως προς το άθροισμα των υπολοίπων αντιστάσεων, τόσο πιο γραμμική μεταβολή παρουσιάζει το ρεύμα i k. Από τη σχέση (3.39) προκύπτει η ακόλουθη εξίσωση: ik(t) I T 2 R2-R1 1 R T T-t 1 t R1+R2+Rπ 1 R TT-t 1 t (

61 Εάν υποθέσουμε R 2 =R 1 =R *, η σχέση αυτή απλοποιείται και μετατρέπεται στην ακόλουθη μορφή: ik(t) I T t T 1 2R *+Rπ t R T 1 t T (3.45 Διαπιστώνουμε ότι για 2R * +R π R τείνοντος στο μηδέν, η καμπύλη του ρεύματος τείνει να γίνει μια ευθεία. Για άλλες τιμές αυτού του κλάσματος παίρνουμε καμπύλες της μορφής 2 στο σχήμα (3.58).

62 Στο προηγούμενο κεφάλαιο έγινε η διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν di k την τάση e A =-L π. Είδαμε ότι η dt προϋπόθεση για να έχουμε αναστροφή απαλλαγμένη από σπινθηρισμούς είναι η σχέση RT L >1, οπότε η τάση αναστροφής π παίρνει μια πεπερασμένη τιμή κατά τη χρονική στιγμή t=t. Τα μεγέθη Τ και R καθορίζονται εύκολα. Αντίθετα ο συντελεστής αυτεπαγωγιμότητας L π υπολογίζεται πολύ δύσκολα. Πάντως μπορούμε να διατυπώσουμε κατ' αρχήν ορισμένες απόψεις για το L π και να προχωρήσουμε στην παραπέρα διερεύνηση της e A και στις επιπτώσεις της. 62

63 Σύμφωνα με τη σχέση (1.28) ισχύει L π =w π 2 Λ π, όπου Λ π είναι η μαγνητική αγωγιμότητα. Εάν ορίσουμε μια μέση τιμή λ ανά cm αξονικού μήκους για το πεδίο σκεδάσεως του βραχυκυκλωμένου πηνίου, τότε μπορούμε να γράψουμε: Λπ 2μ0λl (3.46 Ο συντελεστής 2 υπεισέρχεται διότι πρέπει να περιληφθούν οι δύο πλευρές του πηνίου. Το μήκος των πλευρών που είναι μέσα στις αυλακώσεις και το μήκος των μετωπικών συνδέσεων εκφράζεται με l. Η γραμμική ταχύτητα του τυμπάνου υπολογίζεται από την ταχύτητα v k του συλλέκτη σύμφωνα με τη σχέση v T =v k D D k, όπου D είναι η διάμετρος του δρομέα και D k η διάμετρος του συλλέκτη. Οι δύο πλευρές του πηνίου περιστρέφονται με τη γραμμική ταχύτητα v T. Το ρευματικό στρώμα του τυμπάνου δίνεται από τη σχέση A= w πki T, όπου k είναι ο πd αριθμός των τομέων, 2w π k ο αριθμός των αγωγών συνολικά, I T το ρεύμα που διαρρέει κάθε αγωγό και πd η 2 περίμετρος του τυμπάνου. Μετά από αυτά, για την απόλυτη τιμή της τάσης e A προκύπτει: ea dik Lπ dt w 2 π 2μ 0λl di k dt (

64 Στη θέση της παραγώγου di k dt μπορούμε να γράψουμε την μέση τιμή της μεταβολής του ρεύματος i k. Επειδή στο χρόνο Τ το ρεύμα μεταβάλλεται από + I Τ 2 σε -I Τ 2, η μέση μεταβολή του ρεύματος είναι I Τ Τ, οπότε η e A γίνεται: e A 2μ 0 λlw 2 π I T T 2μ 0 λlw π w π I T 1 b B 2μ 0 λlw π w π I T e A 2μ 0 λlw π Av T V T D k D D k π k 2μ 0 λlw π v T v k w π I T k πd (3.48) 64

65 Στην παραπάνω σχέση υποθέσαμε ότι το πλάτος μιας ψήκτρας είναι ίσο με το πλάτος ενός τομέα δηλαδή b k =Tv k =π D k k. Έτσι καταλήγουμε στον τύπο για την τάση αναστροφής: e A 2ζlw π v T A (3.49 Η έκφραση αυτή ονομάζεται τύπος του Pichelmayer όπου ζ=μ ο λ. Οι τιμές του ζ υπολογίζονται ή διαπιστώνονται πειραματικά και κυμαίνονται μεταξύ 4 και 8. Για να πάρουμε την τάση e A σε V χρησιμοποιούμε τον τύπο: e A {V} 2ζl{cm}w π v T { cm sec }A{Ampere cm } 10-8 (3.50 Για να μην έχουμε αναστροφή με σπινθηρισμούς πρέπει η μέση τιμή της τάσης e A να μην υπερβεί τα 10V (e A 10V). 65

66 Όπως δείχνει ο τύπος (3.49), η τάση e A εξαρτάται από το ρευματικό στρώμα Α που είναι ανάλογο του φορτίου, από την ταχύτητα v T που εξαρτάται από τον εκάστοτε αριθμό στροφών και από κατασκευαστικές παραμέτρους της μηχανής. Για να μην υπερβούμε την κρίσιμη τιμή της e A, πέρα της οποίας έχουμε σπινθηρισμό, πρέπει ούτε η ταχύτητα ούτε το ρεύμα τυμπάνου να υπερβούν ορισμένα όρια. Αυτό έχει ιδιαίτερη σημασία σε κινητήρες που υπόκεινται σε έλεγχο, όπως συμβαίνει στην βιομηχανική παραγωγή. Επίσης το όριο της e A έχει ως συνέπεια μια οριακή τιμή της ισχύος που μπορεί να δώσει η μηχανή συνεχούς ρεύματος. Εάν συσχετίσουμε τη σχέση (3.50) με την εξίσωση Esson (3.32), θα καταλήξουμε σε μια σχέση, που είναι παρόμοια με τη σχέση (3.34). P ea πd 2000 α π Bπ 1 ζ σε kw (3.51 Εφόσον λοιπόν η τάση e A είναι περιορισμένη, η ισχύς της μηχανής δεν μπορεί να υπερβεί μια μέγιστη τιμή για ορισμένη μαγνητική επαγωγή των κυρίων πόλων. Η σωστή λειτουργία της μηχανής προϋποθέτει την ικανοποίηση και των δύο εξισώσεων (3.34) και (3.51). 66

67 Όπως είδαμε η αναστροφή του ρεύματος επηρεάζεται και από τη τάση e k, η οποία παράγεται λόγω της κίνησης των πλευρών του πηνίου μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο κατά τη στιγμή της αναστροφής. Το πεδίο αυτό είναι η συνισταμένη του πεδίου των πόλων και του τυμπάνου. Όπως είδαμε η συνισταμένη αυτή επηρεάζεται από το πεδίο των βοηθητικών πόλων. Γίνεται δε λόγος για τους βοηθητικούς πόλους μόνον, διότι η αναστροφή συμβαίνει όταν το πηνίο βρίσκεται στην περιοχή όπου η επιφάνειά του τέμνει κάθετα το μαγνητικό πεδίο των πόλων. Η τάση e k επηρεάζει το ρεύμα i k κατά τον ίδιο τρόπο όπως και η Εάν δεν υπάρχουν βοηθητικοί πόλοι, τότε το πεδίο του τυμπάνου ενεργεί ακριβώς όπως και το πεδίο σκέδασης. Εάν η e k αναιρεί εν μέρει την e A, τότε έχουμε επιτάχυνση της αναστροφής. Εάν την αναιρεί συνολικά, τότε έχουμε ωμική αναστροφή. Εάν δε αναιρεί την e A καιπερισσεύειένα μέρος, τότε έχουμε μεγαλύτερη επιτάχυνση. Αυτό επιτυγχάνεται στη γεννήτρια στρέφοντας τις ψήκτρες κατά τη φορά περιστροφής, στον δε κινητήρα κατ' αντίθετη φορά, ώστε να μπούμε σε ένα πεδίο αρκετό να παράγει την κατάλληλη τάση e k. 67

68 Μια καλή αναστροφή προϋποθέτει ελαφρή επιτάχυνση, ώστε να παίρνουμε την καμπύλη 4 στο σχήμα (3.58). Αυτή δεν επιτυγχάνεται εύκολα με την μετακίνηση των ψηκτρών, σε μηχανές δε με ρυθμιζόμενη φόρτιση δεν έχει κανένα νόημα η μετακίνηση. Η λύση εδόθη με τους βοηθητικούς πόλους οι οποίοι διεγειρόμενοι κατάλληλα δημιουργούν ένα πεδίο με διπλή αποστολή. Αφ' ενός να εξουδετερωθεί το πεδίο του τυμπάνου, αυτό θα σήμαινε ωμική αναστροφή, αφ' ετέρου να δημιουργηθεί ένα επί πλέον πεδίο, ώστε να έχουμε μια e k για την επιτάχυνση της αναστροφής. Το θέμα τώρα είναι, πόσο μεγάλο πρέπει να επιλεγεί το μαγνητικό πεδίο Β β των βοηθητικών πόλων, το οποίο στη συνέχεια θα προσδιορίσει τις διαστάσεις του βοηθητικού τυλίγματος. Εάν Β β είναι η μέση τιμή της κάθετης συνιστώσας της μαγνητικής επαγωγής των βοηθητικών πόλων, τότε στο βραχυκυκλωμένο πηνίο που κινείται εντός αυτού παίρνουμε την τάση: eβ 2BβvTlwπ (3.52 Εάν η e β πρέπει να αναιρεί την e A, τότε από την σχέση e β =e A και από τις σχέσεις (3.49) και (3.52) προκύπτει: Bβ ζa (3.53

69 Η σχέση αυτή δηλώνει, ότι το B β εξαρτάται από το ρεύμα του τυμπάνου, επομένως το τύλιγμα των βοηθητικών πόλων πρέπει αν συνδεθεί σε σειρά με το τύλιγμα του τυμπάνου. Η συνδεσμολογία πρέπει να είναι έτσι, ώστε η δημιουργούμενη πολικότητα των βοηθητικών πόλων να είναι η ακόλουθη: Όταν πρόκειται για γεννήτρια, μετά από ένα κύριο πόλο, ακολουθεί ένας βοηθητικός της αντίθετης πολικότητας, όταν ακολουθούμε την φορά περιστροφής. Αντίθετα στον κινητήρα μετά από ένα κύριο πόλο ακολουθεί ένας βοηθητικός πόλος της ίδιας πολικότητας, εάν ακολουθούμε την φορά περιστροφής. Το πλάτος του πέλματος των βοηθητικών πόλων πρέπει να είναι τόσο, ώστε κατά τον χρόνο που οι δύο πλευρές ενός πηνίου βραχυκυκλώνονται από μία ψήκτρα, οι πλευρές αυτού του πηνίου να κινούνται κάτω από τους βοηθητικούς πόλους. Αυτό το πλάτος b β υπολογίζεται από τον ακόλουθο τύπο: bβ bβ δ DT Dk t nt 1 δ α up N 2p y 1 u (

70 Στη σχέση αυτή τα διάφορα σύμβολα έχουν την ακόλουθη σημασία: b β = πλάτος ψηκτρών D Τ = διάμετρος δρομέα D k = διάμετρος συλλέκτη α = μισός αριθμός παραλλήλων κλάδων u = αριθμός πλευρών πηνίων τοποθετημένων παραπλεύρως σε μία αυλάκωση Ν = αριθμός αυλακώσεων y 1 = πρώτο πολικό βήμα p = αριθμός ζευγών πόλων τ nτ = απόσταση αυλακώσεων Το πεδίο που πρέπει να δημιουργηθεί κάτω από το πέλμα των βοηθητικών πόλων πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο με το Β β που ορίζει η σχέση (3.53). Για να έχουμε καλή αναστροφή επιλέγουμε το πεδίο λίγο μεγαλύτερο, ώστε να υπερτερεί η τάση e k έναντι της e A για να έχουμε ελαφρά επιτάχυνση της μεταβολής (μείωσης) του i k. 70

71 Αυτό το πεδίο πρέπει να δημιουργηθεί από ένα διάρρευμα, το οποίο υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: Vβ Θβ Θk ΘT (3.55 V β είναι η μαγνητική τάση που υπολογίζουμε κατά μήκος της τροχιάς του μαγνητικού πεδίου που προέρχεται από το βοηθητικό τύλιγμα, όπως φαίνεται στο σχήμα (3.53). Θ β = 2w β i T είναι το άθροισμα των διαρρευμάτων δύο βοηθητικών πόλων, εάν το τύλιγμα κάθε πόλου έχει w β σπείρες. Θ Τ είναι το διάρρευμα του τυμπάνου που περικλείει η εν λόγω μαγνητική τροχιά και Θ k το διάρρευμα του τυλίγματος αντιστάθμισης. Εάν γνωρίζουμε την V β, μπορούμε να υπολογίζουμε το Θ β και συνεπώς τον αριθμό των σπειρών w β, διότι για μια ορισμένη φόρτιση είναι γνωστά τα Θ Τ και Θ k. Περισσότερα γύρω από τον υπολογισμό του μαγνητικού κυκλώματος των βοηθητικών πόλων βρίσκουμε στη βιβλιογραφία. 71

72 3.6.3 Σπινθηρισμοί μηχανών Σ.Ρ. Οι σπινθηρισμοί είναι δυνατόν να προκληθούν μεταξύ μιας ψήκτρας και του συλλέκτη και να διατηρηθούν εκεί ή να διαδοθούν γύρω από ολόκληρο το συλλέκτη σαν ένα φωτοστέφανο. Τα αίτια για τη δημιουργία των σπινθηρισμών είναι μηχανικής και ηλεκτρικής φύσεως. Οι ψήκτρες σπινθηρίζουν κυρίως στη γωνία που απομακρύνεται από τον τομέα του συλλέκτη, ο οποίος πέρασε κάτω από μια ψήκτρα. 72

73 Εάν σχηματίζονται μικρές κυκλικές φλόγες χρώματος ανοιχτού μπλε ή ελαφρού κόκκινου, τότε ο συλλέκτης δεν διατρέχει κίνδυνο. Εάν το χρώμα είναι κίτρινο και οι φλόγες πιο ισχυρές, τότε ο συλλέκτης μαυρίζει και με τον καιρό υφίσταται βλάβες. Εάν σχηματίζονται σπινθηρισμοί, οι οποίοι να ξεκινούν από την επιφάνεια του συλλέκτη και να διαδίδονται ακτινικά, τότε ο συλλέκτης θα υποστεί βλάβη σε σύντομο χρονικό διάστημα. Εάν οι φωτεινές ακτίνες έχουν μια κίτρινη απόχρωση, τότε ο σπινθηρισμός προ-έρχεται από ηλεκτρική αιτία. Εάν η απόχρωση είναι πρασινωπή, τότε πρόκειται για μηχανική αιτία. Το πρασινωπό χρώμα είναι ένδειξη ότι έχουμε καμένο χαλκό. 73

74 Οι μηχανικές αιτίες για τη δημιουργία σπινθηρισμών είναι μηχανικές ταλαντώσεις των ψηκτρών, οι οποίες οφείλονται στις ίδιες τις ψήκτρες ή στον ψηκτροφορέα ή στο συλλέκτη ή ακόμα και σε ξένες ταλαντώσεις. Οι σπουδαιότερες αιτίες για τη δημιουργία μηχανικών ταλαντώσεων είναι: Το κέντρο βάρους του συλλέκτη δεν βρίσκεται στο κέντρο του άξονα, οι τομείς δεν εφάπτονται όλοι της ίδιας νοητής επιφάνειας παρά άλλοι βρίσκονται λίγο πιο έξω και άλλοι λίγο πιο μέσα, ο συλλέκτης έχει υποστεί φθορές και δεν είναι εντελώς λείος ή δεν είναι εντελώς κυκλικός. Οι ψήκτρες δεν εφάπτονται κανονικά, δηλαδή πηγαινοέρχονται ή εφάπτονται εν μέρει, η πίεση του ελατηρίου δεν είναι η κανονική δηλαδή μικρότερη ή μεγαλύτερη απ' ό,τι χρειάζεται. Τούτο μπορεί να οφείλεται σε άσχημο ελατήριο ή άσχημο ψηκτροφορέα ή να έχουν φθαρεί οι ψήκτρες λόγω τριβής και μακροχρονίου χρήσεως. Αιτίες ηλεκτρικής φύσεως για τη δημιουργία σπινθηρισμών αποτελούν τα εσωτερικά ρεύματα και η κακή αναστροφή του ρεύματος του τυμπάνου. Εάν το ρεύμα σε ένα βραχυκυκλωμένο από μια ψήκτρα και ένα τομέα πηνίο δεν αναστραφεί ομαλά μετά από χρόνο, τότε έχουμε σπινθηρισμό στην πλευρά της ψήκτρας που εγκαταλείπει τον τομέα που συμμετείχε στο βραχυκύκλωμα. Τα σχετικά ζητήματαγύρωαπότοθέμααυτόαναπτύχθηκανδιεξοδικά στο προηγούμενο κεφάλαιο.

75 3.7 Συνδεσμολογίες και μόνιμη λειτουργία μηχανών Σ.Ρ. Για τη λειτουργία των μηχανών συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιούμε χαρακτηριστικές καμπύλες, οι οποίες εκφράζουν τη σχέση μεταξύ βασικών λειτουργικών μεγεθών. Έτσι για τις γεννήτριες έχουμε χαρακτηριστικές καμπύλες τάσεως-ρεύματος και για τους κινητήρες τις καμπύλες ταχύτητας - ροπής. 75

76 3.7.1 Γεννήτριες συνεχούς ρεύματος Η σπουδαιότερη χαρακτηριστική καμπύλη από την οποία μπορούν να διαπιστωθούν οι ιδιότητες της λειτουργίας μιάς γεννήτριας είναι η καμπύλη που παριστάνει τη σχέση της τάσης U T ως προς το ρεύμα Ι Τ στους ακροδέκτες, η οποία ονομάζεται και εξωτερική χαρακτηριστική U T (I T ). Η καμπύλη η οποία παριστάνει τη συνάρτηση της τάσης εξ επαγωγής και του ρεύματος φορτίου Ι Τ λέγεται εσωτερική χαρακτηριστική U επ (Ι Τ ). Η εσωτερική χαρακτηριστική δεν μπορεί να προσδιοριστεί με μετρήσεις αντίθετα προς την εξωτερική. Μπορούμε όμως να τη σχεδιάσουμε χρησιμοποιώντας την εξίσωση: UεπRTIT UΨ UT (3.56 Όπου U Ψ είναι η τάση στις ψήκτρες ένεκα της αντίστασης επαφής και R T η αντίσταση του τυλίγματος του τυμπάνου. Η τάση U Ψ είναι μικρή και συνήθως παραλείπεται. 76